王平 WANG Ping；王永敬 WANG Yong-jing；王坤 WANG Kun

（①新疆昌吉州瑪納斯縣天欣煤業(yè)有限公司，昌吉 832200；②中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，撫順 113122；③煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，撫順 113122）

0 引言

《煤礦安全規(guī)程》第二百六十一條“開采容易自燃和自燃煤層時(shí)，必須開展自然發(fā)火監(jiān)測工作，建立自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，健全自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)及管理制度”。目前，國內(nèi)學(xué)者對煤自然發(fā)火研究主要集中在自然發(fā)火標(biāo)志性氣體優(yōu)選，對煤發(fā)火臨界值研究甚少。鄔燦春等人以陜北地區(qū)油浸煤為研究對象，研究不同含油量煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體。王永敬利用程序升溫實(shí)驗(yàn)研究3#煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體，為綜放工作面做好自然發(fā)火分級預(yù)警。王文清等人以變質(zhì)程度低的不粘煤為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)測試其在低溫條件下自然發(fā)火標(biāo)志氣體。基于此，以B13煤層實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究與現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法，確定B13煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，也為礦井各項(xiàng)防滅火技術(shù)措施制定提供科學(xué)依據(jù)[1-4]。

1 自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選

1.1 CO氣體生成規(guī)律

CO是煤氧化最早出現(xiàn)的氣體產(chǎn)物，并貫穿整個氧化過程中；煤溫超過62℃后，CO濃度開始加速增長，且超過62℃后煤溫開始高于爐溫，說明B13煤層自然發(fā)火的臨界溫度，一旦超過62℃，煤體的升溫速度將快速增加，在215℃以前，CO產(chǎn)生濃度與煤溫之間表現(xiàn)為單一遞增的變化關(guān)系，如圖1所示，擬合關(guān)系式為y=0.028e0.0072x，擬合優(yōu)度為0.998。當(dāng)煤溫超過215℃后，這種指數(shù)關(guān)系不復(fù)存在，呈現(xiàn)出一種增長更快的關(guān)系。

1.2 烯烴氣體生成規(guī)律

在煤的吸附氣體中，沒有烯烴氣體。C2H4和C3H6氣體產(chǎn)生的臨界溫度分別在110℃和140℃左右，與CO氣體相比，有一個明顯的時(shí)間差和溫度差。C2H4出現(xiàn)，標(biāo)志著煤氧化進(jìn)入加速氧化階段，煤溫在超過253℃后迅速升高332℃。從氣體濃度變化上表現(xiàn)為出現(xiàn)突起的陡峰，這是煤劇烈燃燒的表征。

1.3 C2H2氣體產(chǎn)生規(guī)律

C2H2氣體在礦井中常作為煤自然發(fā)火的重要的標(biāo)志氣體，實(shí)驗(yàn)煤樣產(chǎn)生C2H2氣體初始溫度為330℃左右，這與C3H6相比又有一個明顯的溫度差。C2H2是煤進(jìn)入燃燒階段的標(biāo)志，因此，一旦出現(xiàn)C2H2氣體，采取措施時(shí)一定要謹(jǐn)慎，避免采取直接剝挖火源的辦法，以免高溫煤體引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故。

1.4 烯烷比規(guī)律

C2H4/C2H6比值與煤溫之間的關(guān)系如圖3所示，該指標(biāo)只有C2H4出現(xiàn)后方可應(yīng)用，且煤溫達(dá)到最高溫度以后煤溫忽高忽低，其比值大小也呈無規(guī)則變化，因此在煤溫達(dá)到燃點(diǎn)以后此比值規(guī)律也應(yīng)慎重分析。

1.5 鏈烷比規(guī)律

由圖4可以看出鏈烷比值變化同樣表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但CH4絕大部分來源于煤吸附CH4的涌出，煤氧化所產(chǎn)生的CH4僅占極小的部分，也就是說在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很容易受到采掘工作、落煤時(shí)間的影響，因此，C2H6/CH4，C3H8/CH4指標(biāo)不適合作為煤自燃的標(biāo)志氣體指標(biāo)。

1.6 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選

①CO作為預(yù)測預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體，其預(yù)測的溫度范圍應(yīng)在215℃之前。CO出現(xiàn)的臨界溫度較低，為27℃左右，并在整個自燃發(fā)火過程中都有CO產(chǎn)生，應(yīng)特別加強(qiáng)觀測[5-8]。

②烯烴氣體C2H4和C3H6氣體預(yù)測的溫度初始溫度分別在110℃和140℃左右，C2H4氣體和C3H6氣體的出現(xiàn)標(biāo)志著煤氧化進(jìn)入激烈氧化階段的標(biāo)志。在有CO存在的前提下，只要出現(xiàn)C2H4或C3H6，必須采取切實(shí)有效的滅火措施。

③C2H2氣體生成臨界溫度為330℃左右，C2H2氣體出現(xiàn)標(biāo)志著煤已完全處于燃燒或陰燃階段。

④C2H4/C2H6和C3H8/C2H6可作為預(yù)測煤自然發(fā)火進(jìn)程的標(biāo)志氣體輔助指標(biāo)；C2H6/CH4、C3H8/CH4不適合作為煤自然發(fā)火的標(biāo)志氣體指標(biāo)。

⑤綜上所述，由于該礦不具備實(shí)時(shí)分析C2H6、C3H6、C3H8等氣體的能力，因此選擇CO、C2H4、C2H2作為B13煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體[9-13]。

2 自然發(fā)火標(biāo)志氣體現(xiàn)場觀測

2.1 采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志氣體觀測

①采空區(qū)埋管方式。

在B13煤層工作面回風(fēng)順槽，埋設(shè)3個觀測點(diǎn)，并用φ20mm無縫鋼管進(jìn)行保護(hù)。在每個采樣點(diǎn)位置設(shè)置一個取氣三通，為防止被水或煤泥堵塞，每個取氣三通需抬高至離底板1m高位置，同時(shí)在每個采空區(qū)束管采樣點(diǎn)內(nèi)設(shè)置測溫?zé)犭娕?，以對采空區(qū)內(nèi)不同位置的溫度進(jìn)行持續(xù)檢測。

②觀測結(jié)果。

由于3#束管出現(xiàn)異常，無法采集采空區(qū)內(nèi)氣體，因此僅能1#和2#測點(diǎn)采集氣樣分析采空區(qū)氣體變化規(guī)律，見圖6所示。

采空區(qū)回風(fēng)側(cè)距離切頂線水平距離為0～4m的范圍為散熱帶，4～47.2m的范圍為氧化帶，超過47.2m的區(qū)域則為窒熄帶。

2.2 回風(fēng)隅角自然發(fā)火標(biāo)志氣體觀測

由圖7可以看出，回風(fēng)隅角CO出現(xiàn)波動，但穩(wěn)定在24ppm以下。通過計(jì)算可得，回風(fēng)隅角CO平均濃度為11ppm。

2.3 回風(fēng)流自然發(fā)火標(biāo)志氣體觀測

由圖8可以看出，工作面割煤、放煤對回風(fēng)流氣體組分影響較小，幾乎可以忽略不計(jì)；回風(fēng)流CO濃度平均為4ppm。

3 自然發(fā)火標(biāo)志氣體臨界值

C2H4、C2H2等氣體在常溫下并不產(chǎn)生，且一旦產(chǎn)生，該氣體組分有無就可判斷采空區(qū)遺煤所處的自燃狀態(tài)。因此，確定B13煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體臨界值為CO氣體的臨界值。采煤工作面CO氣體來源主要分為三個方面：①采空區(qū)遺煤氧化；②生產(chǎn)過程中煤體氧化；③支架頂煤氧化、放炮和無軌膠輪車等其它外部因素產(chǎn)生[8-13]，據(jù)此可建立[CO]濃度計(jì)算數(shù)學(xué)模型：

式中：x—修正系數(shù)；Qg—目標(biāo)區(qū)域風(fēng)量，m3/s；—采空區(qū)遺煤氧化CO生成速率，m3/s；—推采時(shí)煤體氧化CO生成速率，m3/s；—放炮等其它生成CO速率，m3/s。

①采空區(qū)遺煤CO生成速率

式中：Q—為實(shí)驗(yàn)室供風(fēng)量，m3/s；t—取氣時(shí)間間隔，s；Vm—實(shí)驗(yàn)煤樣量，m3；—流經(jīng)實(shí)驗(yàn)煤樣后氣流中CO摩爾體積濃度，mol/m3。

式中：δCO（TS）—溫度為TS時(shí)破碎煤體的CO氣體產(chǎn)生速率，mol/（m3/s）。

②工作面生成過程中CO產(chǎn)生速度

式中：v—工作面推進(jìn)速度，m/d。

式中：QF—工作面實(shí)際供風(fēng)量，m3/s；Cs、CF—分別為工作面生成和非生產(chǎn)時(shí)工作面回風(fēng)流內(nèi)CO濃度平均值，%。

③工作面串聯(lián)通風(fēng)區(qū)域放炮、無軌膠輪車等其它原因?qū)е翪O生成速度：=V放炮+V其它

其它CO氣體來源可能包括井下使用無軌膠輪車等情況，對于該煤礦不存在此情況，可忽略不計(jì)。因此，可得到下式：

式中：MZ—能產(chǎn)生影響的爆破炸藥總量，kg ；—單位炸藥導(dǎo)致的煤層CO氣體涌出速度，m3/（kg·s）。

將上述公式代入（1）可得到工作面或任意采空區(qū)位置的CO臨界值：

根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)場觀測及計(jì)算可得，散熱帶內(nèi)遺煤平均溫度為22.2℃，氧化帶遺煤平均溫度為24.41℃；采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)遺煤厚度7.54m，回風(fēng)側(cè)遺煤厚度7.93m，過渡架不放煤區(qū)域遺煤厚度8.19m，放煤區(qū)域遺煤厚度1.19m。工作面割煤期間對CO產(chǎn)生可忽略不計(jì)，生成速度為0。工作面進(jìn)風(fēng)量為1064.61m3/min，回風(fēng)量為1503.48m3/min，工藝巷進(jìn)風(fēng)量為237.38m3/min，回風(fēng)隅角過風(fēng)量為309.15m3/min，氧化帶過風(fēng)量為42.12～101.09m3/min，散熱帶過風(fēng)量與隅角過風(fēng)量相等。單位炸藥導(dǎo)致CO產(chǎn)生速度為0.02×106m3/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，B13煤層CO生成速率以氧氣濃度10%（71℃）和氧氣濃度20.9%（62℃）時(shí)的CO平均生成速度，計(jì)算得4.57×10-6mol/（m3/s）。

綜合上述，將各參數(shù)代入公式（9），在不考慮修正系數(shù)條件下，得到表1內(nèi)的理論計(jì)算結(jié)果。

將表1內(nèi)數(shù)據(jù)代入公式（9），可分別計(jì)算出不同區(qū)域的修正系數(shù)，如表2所示。在非預(yù)裂爆破影響時(shí)間段內(nèi)，并利用表2修正系數(shù)和表1重新代入公式（9）計(jì)算得到B13煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體CO臨界值如表3所示。

表1 工作面正常條件下不同區(qū)域CO標(biāo)志氣體濃度

表2 修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 不同煤溫下工作面不同區(qū)域CO氣體臨界值

4 結(jié)論

①CO、C2H4、C2H2、C3H6、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6可以作為B13煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體或發(fā)火指標(biāo)。對于新疆某煤礦，不具備實(shí)時(shí)分析C2H6、C3H6、C3H8等氣體的能力。因此選擇CO、C2H4、C2H2作為B13煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體。

CO在常溫25℃就可產(chǎn)生，CO預(yù)測的溫度范圍從常溫至215℃；C2H4氣體產(chǎn)生時(shí)對應(yīng)煤溫為110℃，是煤進(jìn)入激烈氧化階段的標(biāo)志氣體；C2H2氣體產(chǎn)生時(shí)對應(yīng)煤溫為332℃，是煤已經(jīng)開始燃燒或陰燃的標(biāo)志氣體。

②采空區(qū)散熱帶CO發(fā)火臨界值為57ppm，氧化帶CO發(fā)火臨界值為287ppm，回風(fēng)隅角CO發(fā)火臨界值為23ppm，回風(fēng)流CO發(fā)火臨界值為5ppm。在CO存在前提下，只要C2H4和C2H2出現(xiàn)，必須采取切實(shí)有效的滅火措施。